Protokół wykorzystujący ulepszoną metodę QM/MM do zbadania wpływu izotopowego na proces podwójnego transferu protonów w porficenie jest przedstawiony tutaj.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Wpływ izotopowy porficenu w procesie podwójnego transferu protonów badany metodą Enhanced QM/MM
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Pojedyncze podstawienie deuteru w porficenie prowadzi do asymetrycznej geometrii molekularnej, co może wpływać na proces podwójnej transferu protonów w cząsteczce porficenu. W tym badaniu zastosowaliśmy ulepszoną metodę QM/MM o nazwie SITS-QM/MM w celu zbadania wpływu izotopów wodoru/deuteru (H/D) na transfer podwójnych protonów w porficenie. Zmiany odległości w symulacjach dynamiki molekularnej SITS-QM/MM sugerowały, że porficen podstawiony deuterem przyjął stopniowy mechanizm podwójnego transferu protonów. Analiza strukturalna i przesunięcia energii swobodnej procesu transferu podwójnych protonów wykazały, że asymetryczna substytucja izotopowa subtelnie ściska kowalencyjne wiązania wodorowe i może zmienić pierwotne położenie stanu przejściowego.
Wprowadzenie
Proces przeniesienia protonów w porfycenach posiada potencjalne zastosowania w opracowywaniu przełączników molekularnych, tranzystorów i urządzeń do przechowywania informacji1,2. W szczególności tautomeryzacja w porfycenach poprzez proces podwójnego przeniesienia protonów wzbudziła szerokie zainteresowanie w dziedzinach spektroskopii i fotofizyki2. Wewnętrzne atomy wodoru w porfycenie mogą migrować z jednego izomeru trans do drugiego równoważnego izomeru trans poprzez proces podwójnego przeniesienia protonów, co przedstawiono na Rysunku 1. Zaproponowano dwa mechanizmy procesu podwójnego przeniesienia protonów: mechanizm skoordynowany oraz mechanizm stopniowy3,4. W skoordynowanym procesie podwójnego przeniesienia protonów oba atomy protonów przemieszczają się do stanu przejściowego synchronicznie w sposób symetryczny, podczas gdy w procesie stopniowym jeden proton kończy przeniesienie przed drugim protonem. Dwa atomy wodoru mogą przenosić się jednocześnie lub stopniowo, w zależności od siły korelacji między dwoma atomami wodoru5.
Podstawienie izotopowe było wykorzystywane do wykrywania właściwości strukturalnych cząsteczek oraz stałych szybkości kinetyki reakcji6. Pojedyncza substytucja deuterem wewnętrznego wodoru w porfirycenie prowadzi do asymetrycznego kształtu cząsteczki. Wiązanie wodorowe może ulec wydłużeniu lub skróceniu ze względu na różnicę mas między atomami wodoru i deuteru. Podstawienie izotopowe wprowadza zaburzenie w szkielecie porfirycenu. Pojawia się zatem pytanie, czy asymetryczna struktura wpłynie na proces przeniesienia protonu. Limbach i współpracownicy donieśli, że zastąpienie wodoru deuterem spowoduje skrócenie obu wiązań wodorowych, a sprzężenie kooperatywne dwóch wiązań wodorowych w porfirycenie może sprzyjać mechanizmowi skoordynowanemu7, podczas gdy Yoshikawa stwierdził, że deuteracja sprawi, iż mechanizm stopniowy będzie w większym stopniu przyczyniał się do reakcji niż mechanizm skoordynowany8. Opracowano techniki eksperymentalne, takie jak spektroskopia sił, aby uchwycić szczegóły tautomeryzacji w pojedynczej cząsteczce porfirycenu9. Jednakże, ze względu na przejściowy charakter tego procesu, eksperymentalne określenie szczegółów atomowych przeniesienia protonu wciąż stanowi wyzwanie.
Obliczenia teoretyczne i symulacje mogą służyć jako narzędzia komplementarne w wyjaśnianiu mechanizmów reakcji przeniesienia protonu. Spośród różnych metod teoretycznych symulacje dynamiki molekularnej (MD) pozwalają na monitorowanie ruchów dynamicznych każdego atomu i są szeroko stosowane do ujawniania złożonych mechanizmów w reakcjach chemicznych i enzymatycznych. Jednak konwencjonalne symulacje MD mają tendencję do występowania problemu niewystarczającego próbkowania, szczególnie gdy w analizowanym procesie istnieje wysoka bariera energetyczna. W związku z tym opracowano metody próbkowania wzmocnionego, które obejmują próbkowanie ścieżki przejścia10,11, próbkowanie parasolowe (US)12,13 oraz zintegrowane próbkowanie temperowania (ITS)14,15. Połączenie różnych metod próbkowania wzmocnionego może dodatkowo zwiększyć wydajność próbkowania16,17,18. Aby wykorzystać algorytmy próbkowania wzmocnionego w symulowaniu reakcji chemicznych, zaimplementowaliśmy niedawno metodę selektywnego zintegrowanego próbkowania temperowania (SITS) z potencjałami mechaniki kwantowej i mechaniki molekularnej (QM/MM)19. Zaproponowana metoda SITS-QM/MM łączy zalety obu podejść: metoda SITS przyspiesza próbkowanie i pozwala na eksplorację wszystkich możliwych kanałów reakcji bez wcześniejszej wiedzy o mechanizmie reakcji, a QM/MM zapewnia dokładniejszy opis procesów tworzenia i zrywania wiązań, których nie można symulować wyłącznie metodami MM. Zaimplementowane podejście SITS-QM/MM pozwoliło z sukcesem odkryć skoordynowany podwójny transfer protonów oraz nieskorelowany i skorelowany stopniowy mechanizm podwójnego transferu protonów w różnych układach, bez uprzedniego definiowania współrzędnych reakcji19. W przypadku porfyceny zgłoszono charakter stopniowego, lecz skorelowanego przeniesienia protonów19. W naszym badaniu hybrydowa metoda SITS-QM/MM została wykorzystana do zbadania efektu izotopowego w porfycenie; poniżej znajdują się szczegółowe opisy algorytmu i protokołu naszej metody.
Wdrożyliśmy metodę SITS z zastosowaniem hybrydowych potencjałów QM/MM. Potencjał efektywny SITS zdefiniowano tak, aby obejmował energię potencjalną w różnych temperaturach z czynnikami wagowymi nk, co pozwala na pokrycie szerszych zakresów temperatur,
gdzie N to liczba członów kanonicznych, βk to temperatura odwrócona, a nk to odpowiadający czynnik wagowy dla każdego składnika kanonicznego. UE(R) oraz UN(R) reprezentują odpowiednio człony wzmocnione i niewzmocnione w SITS i są zdefiniowane jako,
Us, Use oraz Ue to energia potencjalna podsystemu, oddziaływanie między podsystemem a otoczeniem oraz energia potencjalna otoczenia. Potencjał QM/MM jest wyrażony jako hybrydowa suma trzech komponentów,
gdzie Uqm, Uqm/mm oraz Umm oznaczają odpowiednio składnik energii wewnętrznej podsystemu QM, energię oddziaływania między regionami QM i MM oraz energię oddziaływań wewnątrz podsystemu MM. Składnik Uqm/mm można dalej podzielić na trzy komponenty, obejmujące energię oddziaływań elektrostatycznych, van der Waalsa oraz kowalencyjnych między atomami QM i MM,
W SITS przypisujemy 
oraz 
do jednego składnika Us,
Pełny potencjał układu został następnie rozłożony na energię podukładu Us, energię oddziaływania między podukładem a otoczeniem Use oraz energię otoczenia Ue. Przykładowo, w układzie opisanym w niniejszej pracy podukładem jest porfyrzyna, a otoczeniem woda.
Profil PMF wzdłuż zmiennej zbiorczej τ(R) wyznacza się jako:
Ogólnie stosowane współrzędne reakcji dla każdego przeniesienia wodoru w układzie N1−H1··· N2 to q1 = (r1−r2)/2 oraz q2 = r1 + r2, gdzie r1 jest odległością N1-H1, a r2 jest odległością H1-N2.
Metoda ta została zaimplementowana w pakiecie do symulacji MD w modelu QM/MM QM4D20. Pełny kod źródłowy oraz dokumentacja są dostępne pod adresem: http://www.qm4d.info Simply.
Zazwyczaj symulacje SITS-QM/MM MD obejmują cztery etapy: stan przedrównoważny (pre-sits), optymalizację nk (opt-sits), symulację produkcyjną oraz analizę danych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Model budynku
- Zbuduj strukturę porficonu: Otwórz oprogramowanie GaussView, klikając dwukrotnie myszą. Następnie kliknij przycisk Fragment elementu w menu GaussView, aby wybrać potrzebne elementy. Skonstruuj porficen. Następnie kliknij przycisk Plik, aby zapisać jako plik pdb.
- Solvate model: Solvate porphycen in a cubic TIP3P21 water box o długości krawędzi 38 A, wydając polecenie w systemie operacyjnym Linux: genbox_d -cp prp-vac.pdb -cs spc216.gro -o solv.pdb -maxsol 1484 -box 3.8.
- Zbuduj porficon deuterowy: Wydaj następujące polecenie, aby wygenerować plik topologii: cns < ppi_solv.inp. Następnie otwórz prp-wat.psf za pomocą polecenia vi i zmień masę H1 z 1.00800 na 2.01600, aby zastąpić jeden wewnątrzcząsteczkowy atom wodoru porficenu deuterem, aby zbudować pojedynczy porficen podstawiony deuterem.
- Ustaw normalne parametry symulacji MD: Metoda wprowadzania scctb, całka 0,5 fs i odcięcie 12 w pliku wejściowym MD, otwierając go za pomocą polecenia vi.
UWAGA: Przyjmij odległość odcięcia 12 A do obliczania zarówno vdW, jak i oddziaływań elektrostatycznych. Symulacja cząsteczki porficenu za pomocą metody DFTB/MIO22. Ustaw krok czasu integracji na 0,5 fs dla symulacji MD. Utrzymuj temperaturę systemu symulacji na poziomie 300 K za pomocą termostatu Langevin. Następnie wykonaj symulacje za pomocą oprogramowania QM4D, postępując zgodnie z poniższymi krokami.
2. Wstępne siedzenia
- Ustaw parametry temperatury: Wprowadź templow 260, temphigh 1100 i ntemp 160 w pliku wejściowym.
UWAGA: Zakres temperatur od 260K do 1100K został rozłożony przez oprogramowanie QM4D do 160 punktów temperatury podczas symulacji MD. Pliki wejściowe szablonów są zawarte w plikach uzupełniających. - Zainicjuj ustawienia wstępne: Ustaw typ działania 100 i krok 120 000 w pliku wejściowym. Następnie wydaj następujące polecenie: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
UWAGA: Całkowity krok wynosi 120 000, ale można go dostosować w zależności od konkretnych potrzeb>. Sugerowane parametry symulacji MD zapisywane są w $INPUTFILE. To samo polecenie jest również używane w następujących krokach symulacji opcji i produkcji, z odpowiednio zmodyfikowanym plikiem wejściowym. - Obliczanie rozłożonych energii
- Wyodrębnij zmiany energii: Podczas etapu wstępnego monitorowania energii każdego członu, aby obliczyć wartości średnie, jak pokazano na Rysunek 1. Użyj polecenia grep Linux, aby wydobyć energię w następujący sposób:
grep 'SITS-ener0' $INPUTFILE | awk '{a+=$3; b+=4 dolary; c+=$5}END{print a/NR,b/NR,c/NR}. - Zmodyfikuj średnie energie w pliku wejściowym MD: Oblicz średnie energie na podstawie danych wyjściowych wiersza poleceń powyżej i zmodyfikuj linię vshift0 -30801.95; vshift1 -26.88; vshift2 -13888.28 w pliku wejściowym z nowo wygenerowanymi średnimi.
UWAGA: Liczby -30801.85, -26.88 i -13888.28 są średnimi energiami w obecnym systemie modelowym. Zmodyfikuj wartości w oparciu o konkretne systemy.
- Wyodrębnij zmiany energii: Podczas etapu wstępnego monitorowania energii każdego członu, aby obliczyć wartości średnie, jak pokazano na Rysunek 1. Użyj polecenia grep Linux, aby wydobyć energię w następujący sposób:
3. Opcja
- Inicjowanie opt-sits: Ustawia typ działania 0 w pliku wejściowym. Następnie zainicjuj program QM4D, wpisując polecenie, jak pokazano w kroku 2.2, aby rozpocząć krok optymalizacji.
- Monitorowanie zmian energii i wartości nk.
- Wykreśl propagację energii z programem "grace" i upewnij się, że fluktuacja energii może pokryć najniższy i najwyższy koniec zakresu temperatur.
- Po optymalizacji zapisz końcowe wartości nk kroku opt-sits do nowego pliku, który jest nazwany jako nk.dat w tym protokole.
4. Przeprowadzanie symulacji produkcyjnych
- Przygotuj plik wejściowy MD: Ustaw typ działania 1 w nowym pliku wejściowym, aby rozpocząć krok symulacji produkcji. Określa nazwę przechowywanego pliku nk jako nkfile nk.dat w pliku wejściowym. Liczba kroków czasowych została ustalona na 6 400 000 w obecnych systemach.
- Inicjowanie produkcyjnej symulacji MD: Wydaj następujące polecenie, aby uruchomić symulacje MD: $PATH/qm4d $INPUTFILE > $OUTPUTFILE.
UWAGA: Upewnij się, że wartości >nk mogą być odczytane przez oprogramowanie QM4D. Czas symulacji jest zależny od systemu, więc zmień krok symulacji w zależności od konkretnych wymagań. Wybierz odpowiednią liczbę kroków czasowych, aby zapewnić wystarczającą ilość czasu na symulację dla własnego systemu. Ten krok jest prawdopodobnie czasochłonny, więc zapisz pliki ponownego uruchomienia, aby uniknąć ponownego uruchamiania produkcji od samego początku po zakłóceniu.
5 Analiza danych
- Monitorowanie zmian odległości
- Monitoruj proces tworzenia i zrywania wiązań w fazie produkcji, użyj polecenia grep, aby sprawdzić zmiany odległości H1-N1 i H1-N2 w czasie symulacji. Tę samą operację można przeprowadzić dla H2-N3 i H2-N4. Następnie należy wykreślić propagację odległości, korzystając ze skumulowanej wartości odległości podczas symulacji produkcyjnych.
- Wyodrębnianie współrzędnych reakcji
- Wyodrębnij współrzędne reakcji i warunki energetyczne z pliku wyjściowego produkcji wygenerowanego przez QM4D za pomocą polecenia grep:
grep 'Dyc 1' $OUTPUTFILE | awk '{print $5}' > odległość1;
grep 'ener0' $OUTPUTFILE > ener0. - Uporządkuj dane w czterech kolumnach: q1, q2, U0 i U' (U0 i U' to normalna energia wyjściowa i energia ważona) i zapisz je w pliku danych w każdym przedziale czasowym.
- Wyodrębnij współrzędne reakcji i warunki energetyczne z pliku wyjściowego produkcji wygenerowanego przez QM4D za pomocą polecenia grep:
- Obliczanie darmowej energii
- Oblicz energię swobodną, wydając następujące polecenie:
sits-pmf 300 $INPUTFILE PMF2 [hist_minx hist_maxx num_binsx] [hist_miny hist_maxy num_binsy] > $OUTPUTFILE.
UWAGA: sits-pmf to metoda analizy oparta na histogramie. [hist_minx hist_maxx num_binsx] określa zakres i liczbę przedziałów dla pierwszej współrzędnej reakcji. Drugie współrzędne reakcji można ustawić za pomocą [hist_miny hist_maxy num_binsy]. - Aby rzutować energię swobodną na dwuwymiarowy krajobraz, wpisz następujące polecenie:
sits-pmf 300 h1-2d.dat PMF2 -0,6 0,6 24 2,45 4,25 36 > sits-pmf.out.
UWAGA: Użyj łącznie 24 przedziałów i 36 pojemników, aby pokryć zmiany odległości w dwóch wybranych współrzędnych reakcji, odpowiednio q>1 i q2. Zapisz dane PMF 2D dla każdego wodoru/deuteru w pliku sits-pmf.out.
- Oblicz energię swobodną, wydając następujące polecenie:
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
W niniejszym protokole zbadano wpływ pojedynczej substytucji deuteru na proces podwójnego przeniesienia protonu w porfirycenie (Rycina 1). Energię potencjalną podsystemu QM oraz wody podczas etapu przedrównoważnego i optymalizacji sprawdzono, aby upewnić się, że zakres energii został rozszerzony do szerszego przedziału (Rycina 2). Reprezentatywne zmiany odległości i kątów (Rycina 3 i Rycina 4) oraz rzut...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Strukturę porficenu przedstawiono na rysunku 1. Do opisu reakcji chemicznych zachodzących w wodzie wykorzystano elektrostatyczny potencjał hybrydowy QM/MM metodą SITS 23,24. Transfer protonów zachodzi w obrębie porfirynu3, a zatem porficen jest ustawiony jako region QM, a woda przypominająca jest ustawiona jako obszar MM. W tym przypadku przyjęliśmy DFTB/MIO jako naszą metodę zarządzania jakością do obróbki po...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Te badania są wspierane przez Narodowy Kluczowy Program Badawczo-Rozwojowy Chin (2017YFA0206801, 2018YFA0208600), Fundację Nauk Przyrodniczych prowincji Jiangsu oraz Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (91645116). L.X jest specjalnie mianowanym profesorem Zhong-Wu na Uniwersytecie Technologicznym Jiangsu. Autorzy przyjmują do wiadomości sugestie dr Hao Hu i dr Mingjun Yanga.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| system operacyjny | CentOS Linux release 6.0 | ||
| Oprogramowanie QM4D | http://www.qm4d.info/ | program własny | |
| Komputer stacjonarny | HP |
Bibliografia
- Waluk, J. Ground- and excited-state tautomerism in porphycenes. Accounts of Chemical Research. 39 (12), 945-952 (2006).
- Waluk, J. Spectroscopy and tautomerization studies of porphycenes. Chemical Reviews. 117 (4), 2447-2480 (2017).
- Kozlowski, P. M., Zgierski, M. Z., Baker, J. The inner-hydrogen migration and ground-state structure of porphycene. The Journal of Chemical Physics. 109 (14), 5905-5913 (1998).
- Yoshikawa, T., Sugawara, S., Takayanagi, T., Shiga, M., Tachikawa, M. Theoretical study on the mechanism of double proton transfer in porphycene by path-integral molecular dynamics simulations. Chemical Physics Letters. 496 (1-3), 14-19 (2010).
- Smedarchina, Z., Shibl, M. F., Kühn, O., Fernández-Ramos, A. The tautomerization dynamics of porphycene and its isotopomers - concerted versus stepwise mechanisms. Chemical Physics Letters. 436 (4-6), 314-321 (2007).
- Wolfsberg, M., Hook, W. A., Paneth, P., Rebelo, L. P. N. Isotope effects. The Chemical, Geological, and Bio Sciences. , Springer. Dordrecht. (2009).
- Pietrzak, M., Shibl, M. F., Bröring, M., Kühn, O., Limbach, H. H. 1H/2H NMR studies of geometric H/D isotope effects on the coupled hydrogen bonds in porphycene derivatives. Journal of the American Chemical Society. 129 (2), 296-304 (2007).
- Yoshikawa, T., Sugawara, S., Takayanagi, T., Shiga, M., Tachikawa, M. Quantum tautomerization in porphycene and its isotopomers: Path-integral molecular dynamics simulations. Chemical Physics. 394 (1), 46-51 (2012).
- Ladenthin, J. N., et al. Force-induced tautomerization in a single molecule. Nature Chemistry. 8 (10), 935-940 (2016).
- Dellago, C., Bolhuis, P. G., Csajka, F. S., Chandler, D. Transition path sampling and the calculation of rate constants. The Journal of Chemical Physics. 108 (5), 1964-1977 (1998).
- Bolhuis, P. G., Chandler, D., Dellago, C., Geissler, P. L. Transition path sampling: Throwing ropes over rough mountain passes, in the dark. Annual Review of Physical Chemistry. 53 (1), 291-318 (2002).
- Torrie, G. M., Valleau, J. P. Nonphysical sampling distributions in monte carlo free-energy estimation: Umbrella sampling. Journal of Computational Physics. 23 (2), 187-199 (1977).
- Kästner, J. Umbrella sampling. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 1 (6), 932-942 (2011).
- Gao, Y. Q. An integrate-over-temperature approach for enhanced sampling. Journal of Chemical Physics. 128 (6), 064105(2008).
- Yang, L., Gao, Y. Q. A selective integrated tempering method. Journal of Chemical Physics. 131 (21), 214109(2009).
- Yang, M., Yang, L., Gao, Y., Hu, H. Combine umbrella sampling with integrated tempering method for efficient and accurate calculation of free energy changes of complex energy surface. The Journal of Chemical Physics. 141 (4), 044108(2014).
- Yang, Y. I., Zhang, J., Che, X., Yang, L., Gao, Y. Q. Efficient sampling over rough energy landscapes with high barriers: A combination of metadynamics with integrated tempering sampling. The Journal of Chemical Physics. 144 (9), 094105(2016).
- Xie, L., Shen, L., Chen, Z. N., Yang, M. Efficient free energy calculations by combining two complementary tempering sampling methods. The Journal of Chemical Physics. 146 (2), 024103(2017).
- Xie, L., Cheng, H., Fang, D., Chen, Z. N., Yang, M. Enhanced QM/MM sampling for free energy calculation of chemical reactions: A case study of double proton transfer. The Journal of Chemical Physics. 150 (4), 044111(2019).
- Hu, X., Hu, H., Yang, W. QM4D: an integrated and versatile quantum mechanical/molecular mechanical simulation package (http://www.qm4d.info/). , (2016).
- Jorgensen, W. L., Chandrasekhar, J., Madura, J. D., Impey, R. W., Klein, M. L. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. The Journal of Chemical Physics. 79 (2), 926-935 (1983).
- Walewski, L., et al. Scc-dftb energy barriers for single and double proton transfer processes in the model molecular systems malonaldehyde and porphycene. International Journal of Quantum Chemistry. 106 (3), 636-640 (2006).
- Bakowies, D., Thiel, W. Hybrid models for combined quantum mechanical and molecular mechanical approaches. The Journal of Physical Chemistry. 100 (25), 10580-10594 (1996).
- Hu, H., Yang, W. Development and application of ab initio QM/MM methods for mechanistic simulation of reactions in solution and in enzymes. Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 898 (1-3), 17-30 (2009).
- Xie, L., Yang, M., Chen, Z. N. Understanding the entropic effect in chorismate mutase reaction catalyzed by isochorismate-pyruvate lyase from pseudomonas aeruginosa (PchB). Catalysis Science, Technology. 9 (4), 957-965 (2019).
- Shibl, M. F., Pietrzak, M., Limbach, H. H., Kühn, O. Geometric H/D isotope effects and cooperativity of the hydrogen bonds in porphycene. ChemPhysChem. 8 (2), 315-321 (2007).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
